1995, 44 (3 4): Towarzystwo PL ISSN Ä KOSMOS

Transkrypt

1 . Polskie 1995, 44 (3 4): Towarzystwo PL ISSN Ä KOSMOS A l i n a K a c p e r s k a Zakład. Fizjologii Odporności Roślin, Instytut Biologii Eksperymentalnej Roślin, Uniwersytet Warszawski, Pawińskiego 5A, Warszawa UDZIAŁ HORMONÓW ROŚLINNYCH W ODPOWIEDZI ROŚLIN NA STRESOWE CZYNNIKI ŚRODOWISKA Rośliny rosnące w naturalnych warunkach środowiska a także te, których uprawa przebiega w szklarniach lub pod folią, są stale narażone na działanie czynników, które mogą wywołać niekorzystne dla ich organizmu skutki: mogą być przyczyną zahamowania wzrostu, niepowodzeń w rozwoju generatywnym, licznych zaburzeń metabolicznych, mogą spowodować trwałe uszkodzenia komórek, tkanek i organów, a nawet doprowadzić do śmierci osobnika. Działanie takich czynników, określanych mianem stresowych lub stresotwórczych, może spowodować eliminację całych populacji roślin, odmian i gatunków z obszarów, na których dany czynnik lub zespół czynników działają zbyt często, zbyt długo lub zbyt intensywnie. Zestaw tych czynników, jak również ich wzajemne relacje, przedstawia rysunek 1. Działanie czynnika stresowego powoduje w organizmie roślinnym odpowiedź, która z jednej strony może polegać na nieodwracalnych zaburzeniach struktury i funkcji komórek, które przyjęto określać mianem uszkodzeń, a z drugiej może doprowadzić do zwiększenia odporności na stres, na przykład spowodować reakcję aklimatyzacyjną w przypadku stresów abiotycznych. W tym drugim przypadku początkowe zaburzenie funkcji struktur komórkowych (błon, organelli, cy to plazmy) prowadzi do modyfikacji wielu dróg metabolicznych, w tym do zmian w ekspresji genów i syntezie białek. Taka wymuszona działaniem czynnika stresowego odpowiedź komórek, tkanek i/lub organów pozwala na lepsze dostosowanie się rośliny do aktualnych warunków środowiska, co spraw ia że mogą one przetrwać nie tylko działanie czynnika stresowego wym uszającego reakcję, ale i działanie zwiększonych dawek tego stresu: na przykład zwiększa się odporność rośliny na stres spowodowany silniejszym odwodnieniem lub dalszym spadkiem (lub wzrostem) temperatury, zwiększoną inwazją organizmów patogenicznych lub szkodników. Często obserwuje się zjawisko zwane cross protection wywołane jednym czynnikiem stresowym zmiany struktury błon i białek, podwyższające stabilność protoplazmy, przyczyniają się do zwiększenia odporności rośliny na inne stresy. Na przykład poddanie rośliny umiarkowanemu stresowi wodnemu zwiększa jej odporność na zamarzanie i vice versa, stres spowodowany zasoleniem może przyczynić się do zwiększenia odporności

2 624 A l in a K a c p e r s k a CZYNNIKI STRESOWE I ABIOTYCZNE b io t y c z n e! Promieniowanie N ie d o b ó r^ - Nadm iar UV Rośliny Zagęszczenie Allelopatia Rośliny pasożytnicze Tem peratura W ysoka-4- - Chłód Mróz M ikroorganizm y W irusy Bakterie Grzyby W oda Suche powietrze - Susza glebowa Z a to p ie n ie I r Zw ierzęta Spasanie -D eptanie Gazy Niedobór 0 2 Gazy wulkanicznefi I- M inerały N iedobór Nadm iar Zachw ianie równowaghi Z a sole n ie -^ M etale c ię ż k ie j Zakw aszenie ^ + Alkalizacja P ochodzenia antropogenicznego Zanieczyszczenia przem ysłow e Pestycydy Ubicie gleby Pożary P rom ieniow anie jonizujące Pola elektrom agnetyczne Efekty m echaniczne W iatr Z agrzebanie - Pokryw a śnieżna- Powłoka lo d o w a I Rys. 1. Stresowe czynniki środowiska i ich niektóre powiązania (za Larcherem 1995, zmodyfikowne).

3 Hormonalna odpowiedź roślin na stres 625 roślin na zbyt niską lub zbyt wysoką temperaturę i na desykację (silne odwodnienie). Znane są też przypadki, gdy stres mechaniczny lub inwazja patogena zwiększały odporność tkanki na dehydratację. Powstaje przypuszczenie, że odpowiedź rośliny na działanie różnych czynników stresowych znajduje się pod kontrolą jakiegoś jednego, podstawowego mechanizmu. Reakcja rośliny na czynnik stresotwórczy może zachodzić w miejscu zadziałania czynnika lub też gdzieś indziej w jakiejś innej tkance lub organie ma wówczas charakter systemiczny. W tym drugim przypadku, informacja o powstaniu stanu stresowego w miejscu zadziałania czynnika zostaje przekazana do innych organów: z liści do korzeni i odwrotnie lub z łiści do innych części pędu. W badaniach dotyczących odpowiedzi roślin na patogeny ten pierwszy typ reakcji określa się mianem nadwrażliwości (ang. hypersensitive responses, HS) natomiast reakcje systemiczne odpowiadają za tak zwaną odporność nabytą (ang. systemie acquired resistance, SAR). Informacja o powstaniu stanu zagrożenia (stanu stresowego) może mieć różne podłoże fizyczne: może być nią szybko przemieszczające się pobudzenie elektryczne (zmiany potencjału elektrycznego błon), zaburzenia stosunków wodnych w komórkach, zaburzenia transportu jonów i metabolitów, a także lub przede wszystkim przemieszczania się w obrębie tkanek i organów specyficznych substancji przekaźników informacji. Nie ulega wątpliwości, że w reakcjach dostosowawczych rośliny do środowiska uczestniczą hormony roślinne. Wiadomo obecnie, że regulatoiy te pośredniczą nie tylko w odpowiedziach.roślin na działanie czynników zaangażowanych w regulację ich normalnego wzrostu i rozwoju, takich jak długość dnia lub określona długość fal świetlnych (na przykład promieniowanie w zakresie czerwieni i dalekiej czerwieni, światło niebieskie), siła ciążenia czy odpowiednia dla danego stadium rozwojowego temperatura, ale i w odpowiedziach, które wiążą się z powstaniem stanu stresowego w organizmie roślinnym. Jedną z pierwszych odpowiedzi rośliny na zadziałanie czynnika stresotwórczego jest zmiana równowagi hormonalnej, typowej dla okresu poprzedzającego to działanie. Dochodzi do zwiększenia podaży jakiegoś hormonu i/lub do obniżenia poziomu innych hormonów. Najczęściej obserwowaną odpowiedzią roślin na działanie czynnika stresowego jest obniżenie poziomu tych hormonów, które uważa się za stymulatory wzrostu roślin (giberelin, cytokinin, czasem kwasu indolilooctowego), przy rów noczesnym zwiększeniu poziomu hormonów zwykle hamujących wzrost elongacyjny komórek lub przyspieszających dojrzewanie i/lub starzenie się tkanek, a więc kwasu abscysynowego (ABA), etylenu, kwasu jasmonowego lub jego estru metylowego (odpowiednio JA i JA-Me). Czy jednak można mówić, że te trzy ostatnie hormony to hormony stresu, inaczej hormony zaangażowane w regulację odpowiedzi roślin na stresowe czynniki środowiska? O tym, czy odpowiedź na to pytanie będzie pozytywna, mogą przesądzić następujące kryteria, dotyczące powiązań między czynnikiem a hormonem: 1) działanie czynnika stresotwórczego indukuje lub przyspiesza syntezę hormonu, 2) zahamowanie syntezy hormonu zapobiega wystąpieniu odpowiedzi na czynnik stresowy lub ją osłabia, 3) u mutantów genetycznych, charakteryzujących się niezdolnością do syntezy danego hormonu lub niewrażliwością na hormon podany z zewnątrz, nie występuje poszukiwana odpowiedź na czynnik stresowy, 4) zwiększenie podaży hor

4 626 A l in a K a c p e r s k a monu powoduje zmiany metaboliczne i modyfikacje strukturalne w komórkach podobne do tych, które wywołuje czynnik stresotwórczy, 5) reakcja na hormon pozwala osobnikowi na takie modyfikacje wzrostu i rozwoju, które przyczynią się do jego przetrwania, mimo że może to spowodować negatywne skutki dla jakiegoś organu, tkanek łub grupy komórek, na przykład prowadzi do przyspieszonego starzenia się i zrzucania liści, lignifikacji ścian, powstawania plam nekrotycznych (po ataku patogena) i innych. Zastosowanie tych kryteriów pozwoliło na sklasyfikowanie ABA, etylenu i JA i jego pochodnych (JA-Me) jako hormonów stresu, aczkolwiek nie zawsze w iadomo, czy dany hormon spełnia te wszystkie kryteria; w niektórych przypadkach brak jeszcze konkretnych danych. W artykule niniejszym wykorzystano niektóre tylko spośród dostępnych danych, w celu zilustrowania raczej, niż udokumentowania zjawiska. KWAS ABSCYSYNOWY (ABA) Kwas abscysynowy należy do seskwiterpenów, a jego prekursorem jest kwas mewalonowy. Biosynteza ABA w tkankach roślin wyższych może się odbywać na drodze bezpośredniej w wyniku specyficznej cyklizacji pirofosforanu farnezylu lub pośredniej w wyniku degradacji karotenoidu wiolaksantyny, co ostatnio wydaje się bardziej prawdopodobne (Parr y i Horgan 1991). Poziom ABA w komórkach zależy od szybkości syntezy tego hormonu, jego translokacji z innych tkanek i organów, a także od szybkości jego katabolizmu lub wiązania w biologicznie nieczynne koniugaty. Porównanie zmian metabolicznych, wywołanych u roślin przez różne abiotyczne czynniki stresowe, wskazuje na podobieństwo reakcji wymuszonych suszą, zasoleniem lub niską temperaturą. Zaproponowano, iż pierwotnym podłożem tych zmian może być stres wodny (Bo h n e r t i współaut. 1995). Nie ulega obecnie wątpliwości, że poziom kwasu abscysynowego zwiększa się szybko wszędzie tam, gdy dochodzi do zmiany stosunków wodnych w komórkach pod wpływem czynników stresowych, na przykład pod wpływem suszy, chłodu, mrozu (rys. 2), a także wysokiej temperatury i zasolenia. Wywołane tymi czynnikami niewielkie nawet obniżenie potencjału wody w komórkach korzeni i/lub liści stymuluje syntezę tego hormonu lub/i powoduje jego uwolnienie z formy związanej (nieaktywnej biologicznie). Może on przemieszczać się w ksylemie z korzeni do liści lub z chloroplastów w komórkach miękiszowych liścia do cytozolu i dalej poprzez ściany komórkowe do komórek szparkowych, gdzie powoduje zamykanie się szparek (C ornish i Z eevaart 1985) lub do innych komórek i tkanek, gdzie wywołuje różnorodne efekty. Odpowiedź na ABA może wystąpić w bardzo krótkim czasie (na przykład zamykanie szparek w wyniku indukowanych przez ABA zmian w transporcie niektórych jonów do komórek szparkowych) lub wymaga dłuższego czasu do swojej realizacji (np. różnorodne odpowiedzi metaboliczne, w tym zmiany w fotosyntetycznym metabolizmie węgla, S eem ann i S h arkey 1987). Wskazuje to, że mechanizm działania ABA w odpowiedzi roślin na czynniki stresowe, jak i receptory tego hormonu mogą być bardzo różne.

5 Hormonalna odpowiedź roślin na stres 627 Istnieją liczne dowody wskazujące na udział ABA w reakcjach aklimatyzacyjnych roślin. Jest to hormon polepszający gospodarkę wodną rośliny: z jednej strony powoduje zamykanie szparek, co pozwala ograniczyć transpirację, a z drugiej może przyczyniać się do sprawniejszego pobierania i przewodzenia wody. Na przykład wykazano, że zarówno stres osmotyczny (zwiększający poziom endogennego ABA w pędach), jak i podanie ABA z zewnątrz powodowały zw iększenie eksudacji ze zdekapitowanych siewek słonecznika, co było wynikiem zarówno zwiększonego wydzielania jonów do soku ksylemu, jak i sprawniejszego pobierania wody w wyniku zwiększonego przewodnictwa hydraulicznego korzeni (L udew ig i współaut. 1988). Rys. 2. Zmiany zawartości kwasu abscysynowego w tkankach roślin poddanych: A odwodnieniu (za L a r c h e r e m 1995, zmodyfikowane) lub B działaniu chłodu i C mrozu (Sm o leńska i współaut. 1995). Wiadomo, że zwiększenie ciśnienia osmotycznego w komórkach może być ważnym elementem mechanizmu umożliwiającego wzrost komórek w warunkach stresu wodnego (warunkiem tzw. dostosowania osmotycznego). W tym

6 628 A l in a K a c p e r s k a kontekście specjalnego znaczenia nabierają obserwacje, że ABA bierze udział w regulacji syntezy takich substancji osmotycznie czynnych, jak prolina (Quarrie 1980) lub osmotyna (LaRosa i współaut. 1992). Przetrwanie całego osobnika w warunkach stresowych może zależeć również od innych, idukowanych przez ABA odpowiedzi, w tym odpowiedzi wzrostoworozwojowych. Należy do nich ograniczanie intensywności transpiracji nie tylko poprzez zamykanie szparek, ale i zmniejszenie powierzchni transpiracyjnej na skutek zrzucania liści w okresach poprzedzających występowanie ostrych niedoborów wody w środowisku: w naszym klimacie również na jesieni. W warunkach klimatu umiarkowanego lub klimatu, w którym występują sezonowo niedobory wody, duże znaczenie dla przetrwania roślin ma zapadanie pąków, bulw, cebul i nasion w stan głębokiego spoczynku. Nie ulega dziś wątpliwości, że hormonem, który indukuje i podtrzymuje stan spoczynku organów lub form przetrwalnikowych jest właśnie kwas abscysynowy. W innych badaniach udowodniono bezpośredni wpływ ABA na poziom odporności komórek roślinnych na jakiś czynnik stresowy. I tak wykazano, że podanie ABA do zawiesiny komórkowej powodowało wzrost odporności tych komórek na zamarzanie (C hen i G usta 1983), a zablokowanie syntezy ABA przez podanie fluridonu (inhibitora biosyntezy karotenoidów) spowodowało jej obniżenie. Wykazano, że ABA, który zwiększał odporność zawiesiny komórkowej na zamarzanie powodował takie zmiany w syntezie ściany komórkowej, jak niska temperatura (Tanino i współaut. 1990). Mutanty Arabidopsis thaliana, charakteryzujące się zablokowaniem biosyntezy ABA, nie były zdolne do zwiększenia odporności na mróz (H eino i współaut. 1990), lub odporności na desykację (M eurs i współaut. 1992). Udowodniono też rolę ABA w regulacji biosyntezy białek. Na przykład badanie produktów translacji in vitro poli(a)rna z siewek jęczmienia, poddanych działaniu umiarkowanego stresu wodnego lub ABA wykazało, że był syntetyzowany bardzo podobny zestaw polipeptydów (Grossi i współaut. 1992). Indukcja je d nego z mrna (1,5 kb) zachodziła pod wpływem zarówno stresu wodnego, niskiej temperatury, jak i ABA (Grossi i współaut. 1992). W ostatnich latach ukazało się wiele prac wskazujących, że czynniki stresowe mogą aktywować lub indukować geny rab, to znaczy geny, których ekspresja jest regulowana przez ABA (ang. genes responsive to ABA). Można przypuszczać, że produkty tych genów mogą być zaangażowane w procesy odpowiedzialne za aklimatyzację roślin lub za tolerowanie stresu, albo też mogą brać udział w procesach regeneracji komórek i roślin po ustąpieniu stresu (ang. recovery). Szczegółowe omówienie genów rab w odpowiedzi roślin na czynniki stresowe znalazło się w artykule przeglądowym Ch andler i R o bertso n (1994), którzy zwracają uwagę, iż w chwili obecnej za mało jest jeszcze danych, aby mówić o fizjologicznej roli produktów genów rab w odporności na stresy, gdyż dla większości tych genów nie jest znana funkcja biochemiczna ich produktów. Udział genów rab w reakcjach roślin na czynniki stresowe możnaby zbadać wykorzystując rośliny transgeniczne, u których dochodziłoby albo do wzmożonej ekspresji danego genu (ang. over expression) albo ekspresja ta ulegałaby zaburzeniom w wyniku wytworzenia antysensownego RNA. Tego typu podejścia sprawdziły się w badaniach dotyczących roli na przykład acylotransferazy

7 Hormonalna odpowiedź roślin na stres 629 glicerolo-3 fosforanu w odpowiedzi roślin na chłód (M urata i współaut. 1992) lub dehydrogenazy mannitolo-1-fosforanu w odporności roślin tytoniu na zasolenie (Tarc zyń ski i współaut. 1993). Niestety, jak narazie brak tego typu danych na temat udziału genów rab w odporności roślin na stresy. Tym nie mniej, w badaniach, w których wykorzystano mutanty Arabidopsis thaliana, charakteryzujące się obniżoną zawartością ABA (mutacja aba) lub niewrażliwe na ABA (mutacja abij stwierdzono, że ekspresja tylko niektórych genów cor/lti (ang. cold-regulated albo Iow temperature-induced) zależała od ABA (Nordin i w spółaut. 1991). Okazało się też, że mutanty aba i abi3 nie były zdolne do syntezy stabilnych w wysokiej temperaturze białek grupy LEA (ang. late embryogensis abundant), które odgrywają prawdopodobnie ważną rolę w odporności komórek na odwodnienie. Białka należące do grupy 2 LEA, znane również pod nazwą dehydryn, często są synonimem białek RAB lub COR. Zaproponowano potencjalną rolę produktów niektórych genów cor, między innymi tych, które zależą od ABA: według T h o m ash o w Ą (1993) białka te mogą chronić błony chloroplastów przed skutkami zamarzania (na przykład białko COR15), stabilizować struktury komórkowe w warunkach desykacji (COR47, podobne do białek LEA), m odyfikować proces zamarzania (białko COR6.6, homologiczne z KIN1). Danych wskazujących na podobieństwo molekularnych odpowiedzi komórek roślinnych na ABA i na różne czynniki stresowe przybywa coraz więcej. I tak wykazano, że podanie ABA do siewek ziemniaka powodowało indukcję i akum u lację mrna pin2 (białkowego inhibitora proteaz) oraz dwóch innych białkowych inhibitorów, których syntezę indukowało zranienie mechaniczne tkanek (H ildm ann i współaut. 1992). W innych badaniach wykazano, że synteza niektórych białek, należących do grupy białek LEA, może zostać zaindukowana nie tylko w wyniku desykacji lub podania ABA, ale także pod wpływem kwasu jasmonowego (R einbothe i współaut. 1992). Przedstawione wyżej dane wskazują, że kwas abscysynowy pełni regulującą rolę w procesach aklimatyzacyjnych, umożliwiających roślinie ograniczenie szkód, jakie może wyrządzić działanie różnych czynników stresowych. Wydaje się, że podłożem reakcji, w których bierze udział ABA, nie jest naruszenie struktury błon lecz modyfikacja ich funkcji takich, jak transport jonów i m etabolitów, przemieszczanie się wody. W wyniku tych reakcji następuje spadek potencjału wody w komórkach, co jest główną przyczyną zwiększenia poziomu ABA. Nie ulega wątpliwości, że ostateczna odpowiedź rośliny na wymuszony stresem wzrost poziomu ABA zależy od skomplikowanego układu współdziałających z ABA różnych innych czynników fizjologicznych, w tym i innych horm o nów stresu (patrz na przykład kwas jasmonowy). ETYLEN Etylen, który stanowi najprostszą olefinę (C2H 4) i występuje w stanie gazowym, reguluje w organizmie roślinnym wiele procesów zaangażowanych we wzrost, rozwój i starzenie się tkanek, dojrzewanie owoców, a także w odpowiedzi roślin na różne stresowe czynniki środowiska. Stymulacja syntezy etylenu w tkankach poddanych działaniu stresu jest tak uniwersalną reakcją, że

8 630 A l in a Kacp e r s k a etylen, powstający w wyniku działania czynnika stresowego określa się nazwą etylen stresowy lub wound ethylene w języku angielskim. Indukcja etylenu stresowego zachodzi w wyniku mechanicznego uszkodzenia komórek (cięcia, nakłuwania, drapania, infekcji przez owady), pod wpływem promieniowania, stresu termicznego (temperatury zbyt niskiej lub zbyt wysokiej), odwodnienia, zatopienia, oddziaływań chemicznych (herbicydów, metali, ozonu, SO2 i innych polu tan tów), a także w wyniku infekcji wirusowej i ataku patogena (Yang i H o ffm an 1984). Zachodzi tylko w żywych komórkach, które reagują na czynnik stresowy przejściową, funkcjonalną destabilizację błony komórkowej, manifestującą się niewielkim wyciekiem jonów z komórek (rys. 3). W komórkach wykazujących duże, nieodwracalne uszkodzenia błon synteza etylenu spada, a komórka zamiera. Rys. 3. Synteza etylenu (A) i aktywność lipoksygenazy (B) w tkankach roślinnych, wykazujących różny poziom uszkodzeń (I) spowodowanych mrozem. C zależność między powstawaniem stresowego etylenu i aktywnością lipoksygenazy w uszkodzonych mrozem tkankach (K ac pe r ska i K ub ac ka-z ębalska 1985, zmodyfikowane). Etylen powstaje z metioniny w wyniku jej kolejnych przemian w tak zwanym cyklu metioninowym (Adams i Yang 1979, Y ang i Hoffm an 1984), w którym

9 Hormonalna odpowiedź roślin na stres 631 pośrednimi produktami przemian są S-adenosylometionina (SAM) i kwas 1-am inocyklopropano-1-karboksylowy (ACC). Wiadomo, że zwiększenie produkcji etylenu pod wpływem czynników stresowych lub ełicitorów (na przykład niskocząsteczkowych produktów rozpadu ściany komórkowej) zachodzi w w yniku zwiększonej podaży bezpośredniego prekursora etylenu, ACC (Ya n g i H o f fm an 1984), czego przyczyną jest aktywacja syntazy ACC. Aktywacja syntazy ACC może też zachodzić pod wpływem kwasu abscysynowego (Riov i współaut. 1990), natomiast kwas salicylowy blokuje tę reakcję (Leslie i R om ani 1986). Wykazano też, że akumulacja indukowanego stresem mechanicznym transkryptu genu syntazy ACC w owocach pomidora była blokowana przez poliaminy i kwas salicylowy (Li i współaut. 1992). O poliaminach wiadomo, że zwiększają stabilność struktur komórkowych w warunkach różnych stresów, natomiast kwas salicylowy jest cząsteczką sygnałową w systemicznych odpowiedziach rośliny na atak patogena (Chen i Klessig 1991). Reakcję utlenienia ACC do etylenu katalizuje oksydaza ACC (dawniej EFE, ang. ethylene forming enzyme), która jest białkiem konstytucyjnym o poznanej ju ż sekwencji aminokwasów (Yang i D ong 1993). Tym niemniej, w warunkach stresowych, powodujących powstawanie aktywnych form tlenu (O2L OH") może dochodzić do nieenzymatycznego utlenienia ACC do tlenu (Yang i H offm an 1984), między innymi w reakcji utleniania wielonienasyconych kwasów tłuszczowych, katalizowanej przez lipoksygenazę (Kacperska i K u b ac ka-z ębalsk a 1989, rys. 3). Niewiele jest danych na temat skutków zablokowania syntezy etylenu stresowego, na przykład po podaniu inhibitorów jego syntezy (analogów winyloglicyny, hydroksylaminy, jonów Co2+ lub Ni2+, Y ang i H offman 1984) lub w wyniku zastosowania technik biologii molekularnej, takich jak na przykład wprowadzenie do rośliny nonsensownego genu oksydazy ACC (Ham ilto n i współaut. 1990) lub wywołanie mutacji, blokującej na przykład percepcję etylenu (Lanahan i współaut. 1994). Zabiegi te wykonywano z powodzeniem na roślinach na przykład pomidora, skutecznie zapobiegając dojrzewaniu owoców lub starzeniu się i odpadaniu kwiatów, które to procesy przebiegały pod kontrolą etylenu. Podobnie, wysoce specyficzne efekty morfogenetyczne etylenu (zahamowanie elongacji hypokotyla, zgrubienie hypokotyla i zaciskanie wygięcia podwierzchołkowego hypokotyla) wykorzystano do pozyskania zarówno konstytucyjnych (zdolnych do nadprodukcji etylenu), jak i niewrażliwych na etylen mutantów Arabidopsis, które służą między innymi do badania miejsca działania etylenu w systemie transdukcji sygnału (B owler i C hua 1994). Jak dotąd, brak takich prac w odniesieniu do roli etylenu w reakcjach roślin na czynniki stresowe. Można jednak przypuszczać (Harb er i F uchigami 1989), że takie odpowiedzi roślin na etylen, jak zahamowanie elongacyjnego wzrostu tkanek i stymulacja przyrostu na grubość, przyspieszanie starzenia i odpadania liści, indukcja powstawania korzeni przybyszowych, indukcja powstawania tkanki przewietrzającej (aerenchymy) w korzeniach (D rew i współaut. 1981), zwiększenie osmolalności soku komórkowego, stymulacja produkcji fitoaleksyn, stymulacja syntezy bogatych w hydroksyprolinę glikoprotein, odgrywają rolę w aklimatyzacji roślin do takich stresowych czynników środowiska, jak nadmiar lub niedobór wody, zamarzanie wody, perturbacje mechaniczne (wywołane na przykład uci

10 632 A l in a Ka c p e r s k a skiem lub działaniem wiatru). Ważnym elementem odporności roślin na te stresy jest modyfikacja własności ściany komórkowej pod wpływem etylenu. Wykazano między innymi, że zahamowanie biosyntezy etylenu u roślin poddanych oddziaływaniu mechanicznego stresu zapobiegało nabywaniu przez te rośliny odporności na suszę i mróz (Ja ffe 1984). Poddanie roślin działaniu egzogennego etylenu zwiększało odporność roślin pomidora na suszę, a także odporność niektórych drzew owocowych na zamarzanie (Harber i F uchigami 1989). Należy też dodać, że przyspieszone pod wpływem etylenu odpadanie liści przyczynia się do obniżenia transpiracji w warunkach stresu wodnego (poprzez ograniczenia transpirującej powierzchni). Badania, dotyczące odpowiedzi roślin na patogeny, takie jak grzyby, bakterie i wirusy wykazały, że etylen odgrywa ważną rolę w patogenezie: w zależności od badanego systemu może albo idukować reakcje obronne w roślinie gospodarzu, albo może działać synergistycznie, przyspieszając rozwój symptomów chorobowych (Bell 1981, Boller 1982). Między innymi etylen uczestniczy w regulacji szlaku syntezy fenylopropanoidów, aktywując kluczowy dla tego szlaku enzym amoniakoliazę fenyloalaniny (PAL), stymuluje często produkcję fitoaleksyn, przyczynia się do zabliźniania ran (Yang i Pratt 1978). Udział etylenu w indukcji specyficznych genów (ang. plant defense genes) i białek (PR, ang. pathogen related) jest ju ż dobrze udokumentowany (np. Ecker i Davis 1987). Przyspieszone pod wpływem etylenu powstawanie plam nekrotycznych (w wyniku degradacji komórek w miejscu infekcji), wzmożona lignifikacja ścian komórkowych, przyspieszone odpadanie liści powodują ograniczanie i hamowanie rozprzestrzeniania się patogena w obrębie rośliny (Dutta i BiGGS 1991). Tak więc udział etylenu w odpowiedziach roślin na różnorodne czynniki stresowe nie ulega obecnie wątpliwości. Przedstawione wyżej dane wskazują, że nie jest to dodatkowy produkt (ang. by-product) pewnych dróg metabolicznych, indukowanych stresem, jak to do dziś sugerują niektórzy badacze. Można obecnie proponować, że jest to substancja o działaniu sygnałowo-regulacyjnym. Wydaje się, że hormon ten współdziała z innymi hormonami w regulacji morfogenetycznych i fizjologicznych odpowiedzi roślin na czynniki stresowe, co prowadzi do zwiększonej odporności organizmu na stres. Mechanizm działania tego hormonu wymaga dalszych badań, wiążących się przede wszystkim z mechanizmem jego percepcji (problem receptorów) i udziału w transdukcji sygnału środowiskowego. JASMONIANY Kwas jasmonowy (JA) i jego ester metylowy (JA-Me) należą do powszechnie występujących w świecie roślinnym biologicznie czynnych związków cyklopentanonu (M e yer i współaut. 1984, S em bdner i Parth ie r 1993). Związki te mogą hamować, stymulować lub indukować wiele reakcji wzrostowych i rozwojowych w roślinach (Sem bdner i Parth ie r 1993). Do niedawna uważane za domniemane fitohormony, obecnie coraz powszechniej są zaliczane do tej właśnie klasy regulatorów wzrostu i rozwoju roślin.

11 Hormonalna odpowiedź roślin na stres 633 Substratem do syntezy kwasu jasmonowego jest nienasycony kwas tłuszczowy: kwas linolenowy, który ulega peroksydacji w reakcji katalizowanej przez lipoksygenazę. Dalsze przemiany produktów tej reakcji, 13-hydroksynadtlenku kwasu linolenowego prowadzą do powstania kwasu (+)-7-izo-jasmonowego, który ulega izomeryzacji do (-)-JA (Sembdner i Parth ier 1993). Istnieje kilka hipotez, dotyczących roli kwasu jasmonowego w życiu rośliny. Między innymi bierze się pod uwagę rolę tego związku jako czynnika zaangażowanego w regulację starzenia się tkanek lub jako czynnika zaangażowanego w reakcję roślin na stres. Fakt, że można zablokować lub rozdzielić w czasie rozwój symptomów starzenia i specyficzne efekty działania JA (na poziomie syntezy białka) sprawia, że powiązanie syntezy JA z odpowiedziami na czynniki stresowe stało się bardziej prawdopodobne (Sembdner i Parth ier 1993). Od dawna wiedziano, że w tkankach poddanych działaniu czynników stresowych, takich jak zranienie, dehydratacja, zbyt intensywne promieniowanie, niska temperatura, zachodzi peroksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych. Wykazano, że produktem dalszych przemian powstających w tej reakcji hydroksynadtlenków lipidów może być kwas traumatynowy, hipotetyczny hormon zranienia Haberlandta (ang. wound hormone), zidentyfikowany jako kwas 12-OXO-trans- 10-dodecenowy (Zimmerman i Coudron 1979). Ostatnio udowodniono, że takie czynniki, jak zranienie (Creelm an i współaut. 1992), elicytacja (potraktowanie tkanki niskocząsteczkowymi produktami degradacji ściany komórkowej, np. oligosacharynami) (Gundlach i współaut. 1992), stres osmotyczny i desykacja (Bell i M ullet 1991, W asternack i współaut. 1995), a nawet dotyk wrażliwej tkanki, na przykład wąsów czepnych (W eiler i współaut. 1993) prowadzą do wzrostu zawartości endogennego kwasu jasmonowego, co powoduje zmiany w ekspresji wielu genów. Stwierdzono, że egzogenny JA indukuje zmiany w syntezie wielu białek. Obecnie znanych jest już stosunkowo wiele białek indukowanych przez JA, określonych jako JIPs (ang. jasmonate-induced proteins). Ze względu na funkcję, jaką pełnią te białka u roślin dwuliściennych można je podzielić na 5 różnych klas (W asternack i współaut. 1995). Do białek mających znaczenie w reakcjach na stres należą na pewno inhibitory proteinaz, enzymy zaangażowane w syntezę alkaloidów, lipoksygenazy, białka bogate w glicynę i hydroksyprolinę, zlokalizowane w ścianach komórkowych. Stwierdzono też indukcję białek, których funkcja nie jest znana lub tylko domniemana (Sem bdner i Pa r th ie r 1993). Z zestawienia, przedstawionego w tabeli 1 wynika, że synteza wielu białek JIP może być indukowana nie tylko czynnikiem stresowym (powodującym zawsze zwiększenie poziomu endogennego JA), ale i przez inny fitohormon, kwas abscysynowy. Synteza tego hormonu, jak wiadomo, ulega indukcji pod wpływem czynników stresowych, które również indukują syntezę JA (patrz wyżej). Z drugiej strony wiadomo, że pewne białka, których synteza zaczyna się w wyniku podania JA lub zranienia tkanki, nie ulegają indukcji pod wpływem egzogennego ABA (Sem bdner i Parth ier 1993). Powstaje więc pytanie, czy JA i AB współdziałają, czy działają niezależnie na drodze transdukcji sygnału? Poszukiwanie odpowiedzi na to pytanie jest przedmiotem dalszych badań, ale ju ż obecnie dostępne dane przemawiają za komplementarnym oddziaływaniem ABA i JA na drodze przewodzenia sygnału (Sembdner i Parth ier 1993), co się

12 634 A l in a Kac p e r s k a zgadza z poprzednio sformułowanym przypuszczeniem, że w odpowiedziach, w których uczestniczy ABA, nie dochodzi do naruszenia struktury błony lecz do zmian potencjału wody w komórce. Natomiast synteza JA jest uwarunkowana uwolnienieniem nienasyconych kwasów tłuszczowych z lipidów błon, co zachodzi w wyniku aktywacji odpowiednich acylohydrolaz przez czynnik stresowy. T a b e la 1 Białka indukowane kwasem jasmonowym lub estrem kwasu jasmonowego (wg S e m bdner a i Parthiera 1993). Białko Pochodzenie Ciężar cząsteczkowy (kda) Inne induktory Inhibitory proteinazy I i II liście pomidora 8, 12 ABA, zranienie Inhibitor proteinazy I liście ziemniaka ABA, sacharoza Inhibitor trypsyny liście lucerny 6 zranienie Lipoksygenaza siewki soi, grochu zranienie Amoniakoliaza fenyloalaniny Syntaza chalkonowa Białka zapasowe z tkanek wegetatywnych (alfa i beta) liście jęczmienia zawiesina komórkowa z soi soja: liście, siewki, kultury komórkowe 27 (28), 29 (31) 94 zranienie, desykacja oligosacharyny zranienie, desykacja, cukry rozpuszczalne Napina, krucyferyna zarodki rzepaku zranienie Białka o nieznanej funkcji (wśród nich domniemane białka osmoprotekeyjne) Białka o nieznanej funkcji (wśród nich podobne do LEA?) wycinki z liści jęczmienia liścienie bawełny 10/12, 23, 30, 37, 52, 66/68, 88 18, 20, 23, 25, 30, 35, 40, 67 ABA ABA, sorbitol, cukry, desykacja Nieznana funkcja liście pomidora 63, 5, 87 zranienie PODSUMOWANIE Na podstawie przedstawionych wyżej danych można proponować, iż trzy omówione fitohormony: kwas abscysynowy, etylen i kwas jasmonowy pełnią regulacyjną rolę w odpowiedzi roślin na czynniki stresowe, a więc można je określać jako hormony stresu. Należałoby się jednak zastanowić, czy termin ten jest adekwatny w stosunku do roli, którą pełnią w komórkach roślinnych. Czy nie należałoby ich wydzielić w odrębną grupę substancji, których rola wiązałaby się przede wszystkim z przewodzeniem sygnału w organizmie roślinnym (ang. plant-specific signal transmitter substances), do której należałoby zaliczyć też oligosacharyny i pewne oligopeptydy tak, jak to zaproponowali S e m b d n e r i Pa r - t h ie r (1993)? A jeśli tak, to do tej grupy substancji należałoby dodać jeszcze (a może przede wszystkim?) kwas salicylowy, któryjest produktem peroksydacji flawonoli i który w roślinach pełni funkcję endogennego sygnału w reakcjach roślin na patogena (J o n e s 1994). Związek ten może powstawać w miejscu

13 Hormonalna odpowiedź roślin na stres 635 zranienia, gdzie bierze udział w reakcjach nadwrażliwości (ang. hypersensitive reaction) lub może zostać przeniesiony we floemie lub w strumieniu transpiracyjnym w ksylemie do innych części rośliny, gdzie powoduje reakcję obronną typu systemicznego (ang. systemie acquired response, SAR) w wyniku szybkiej indukcji ekspresji genów pr (ang. pathogen-related). Należy tu dodadać, że prace C hena i współpracownikw z grupy Klessiga (Chen i Klessig 1991, Chen i współaut. 1993) wykazały, iż działanie kwasu salicylowego może się wiązać z zaham o waniem katalazy, enzymu usuwającego aktywne formy tlenu w komórkach eukariotycznych. Rysuje się fascynująca możliwość, iż pierwotnym podłożem różnych odpowiedzi roślin na czynniki stresowe, naruszające strukturę błon, jest zwiększenie ilości aktywnych form tlenu, które powstają między innymi w reakcji peroksydacji lipidów, katalizowanej przez lipoksygenazę. W tym kontekście etylen, kwas jasmonowy i salicylowy mogłyby uczestniczyć w regulacji odpowiedzi alarmowych na czynnik stresowy, w przeciwieństwie do odpowiedzi fizjologicznych, w których regulacji zaangażowany byłby przede wszystkim kwas abscysynowy. Zastanowienie się nad tym problemem mogłoby być tem a tem odrębnego opracowania. THE PHYTOHORMONE INVOLVEMENT IN PLANT RESPONSES TO ENVIRON MENTAL STRESS FACTORS Summary On the basis of the current literature data the following criteria of the hormone involvement in plant responses to stress factors are discussed: 1) the relationship between the stress action and synthesis of a hormone. 2) the effects of inhibition of a hormone synthesis on plant responses to different stressors, 3) the effects of an exogenous hormone on plant metabolism, with special emphasis on the stress- or hormone-induced alterations in gene expression and protein synthesis, 4) the hormone-induced modifications in plantgrowth and development, which may be of significance in avoidance or tolerance of different environmental constrains. It is shown that three phytohormones: abscisic acid, ethylene and jasmonates comply with most of the proposed requirements for the putative role of a hormone in plant stress responses. Therefore, they can be considered as stress hormones. Abscisic acid-dependent responses seem to be related primarily to alterations in plant/tissue water status. On the other hand, ethylene and jasmonates seem to be involved in the control of alarm reactions in plants, which are triggered by structural destabilization of a membrane and lipid peroxidative breakdown. LITERATURA A d a m s D. O., Y a n g S. F., Ethylene biosynthesis: identification o f 1-aminocyclopropane-1 -carboxylic acid as an intermediate in the conversion o f methionine to ethylene. Proc. Natl. AScad. Sei. USA 7 6, B ella. A., Biochemical mechanisms ofdisease resistance. Annu. Rev. Plant Physiol. 32, B ell E., M ullet J. E., Lipoxygenase gene expression is modulated in plants by water-deficit, wounding and melhyl-jasmonate. Mol. Gen. Genet. 230, B o h n e r t H. J., N elson D. E., J en d se n R. G., Adaptations to environmental stresses. The Plant Cell 7, B öller T., Ethylene-induced biochemical defenses against pathogenes. [W:] Plant Growth Substances. W areing P. F. (red.). Academic Press New York, NY, B ow ler C., C h u a N. -H., Emerging themes of plant signal transduction. T h e P la n t C e ll 6, Kosmos

14 636 A l in a K a c p e r s k a C handler P. M., R o b e r t so n M., Gene expression regulated by abscisio acid and its relation to stress tolerance. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 45, C hen T. H. -H., G u sta L. V., Abscisis acid-induced freezing tolerance in cultured plant cells. Plant Physiol. 73, C hen Z., K lessig D. F., Identification o f a soluble salicylic binding protein that may function in signal transduction in the plant disease resistance response. Proc.Natl. Acad. Sei. USA 88, C h en Z., S ilvah., K lessig D. F., Active oxygen species in the induction o f plant systemic acquired resistance by salicylic acid. Science 262, C o rnish K., Z eevaart A. D., Movement o f abscisic acid into the apoplast in response to water stress inxanthium strumarium L. Plant Physiol. 78, C reelman R. A., T ierney M. L., M ullet J. E., Jasmonic acid/methyl jasmonate accumulate in wowided soybean hypocotyl and modulate wound gene expression. Proc. Natl. Acad. Sei. U.S. A 89, D utta S., B ig g s R. H., Regulation o f ethylene biosynthesis in citrus leaves infected with Xanthomonas campestris pv. citri Physiol. Plant. 82, D rew M. C., J ackso n M. B., G iffard S. C., C ampbell R., Inhibition by silver ions of gas space (aerenchyma) formation in adventitious roots o f Zea mays L. subjected to exogenous ethylene or to oxygen deficiency. Planta 153, E cker J., D avis R. W., Plant defense genes are regulated by ethylene. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 84, G r o ssi M., C ativelli L., T erzi V., S tanca M., Modification of gene expression induced by ABA, in relation to drought and cold stress in barley shoots. Plant Physiol. Biochem. 30, G und lach H., M üller M. J., K utchan T. M., Z enk M. H., Jasmonic acid is a signal transducer in elicitor-induced plant cell culture. Proc.Natl. Acad. Sei. U.S.A. 89, H amilton A. J, Lycett G. W., G rierso n D., Antisense gene that inhibits synthesis o f the hormone ethylene in transgenic plants. N a tu re 3 4 6, H a r b e r R. M., F uchigami L. H., Ethylene-induced stress resistance. [W:] Low Temperature Stress Physiology in Crop Plants. Li P. H. (red). CRC Press, Boca Raton, Florida, H ildman T., E bn e th M., P ena-c o r te s S ä n c h e s- S errano J. J., W illmitzer L., P rat S., 1992, General roles o f abscisic and jasmonic acids in gene activation as a result o f mechanical wounding. The Plant Cell 4, H eino P., S andm a n G., Lang V., N ordin K., Palva E. T., Abscisic acid defficiency prevents the development o f freezing tolerance in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Theor. Appl. Genet. 79, J a ffe M. J , The involvement o f callose and elicitors in ethylene production caused by mechanical perturbation. [W:] Ethylene: Biochemical, Physiological and Applied Aspects. F u c h s Y., C halutz E. (red).marinus Nijhoff/Dr. W. Jung Pub., The Netherlands, J o n es A. M., Surprising signals in plant cells. Science 263, Kacpersk a A., Kuback a-z ębalska M., Is lipoxygenase iiwolved in the formation o f ethylene from A C C? Physiol. Plant. 18, Kacpersk a A., Kuback a-z ębai^ska M., Formation o f stress ethylene depends both on ACC synthesis and the activity o f free radical-generating system. Physiol. Plant. 77, Lanahan M. B., Y en H. -C., G iovannoni J. J., K lee H. J., The Never Ripe mutation blocks ethylene perception in tomato. The Plant Cell. 6, Larcher W., Physiological Plant Ecology. Berlin-Heidelberg LaR o sa P. C., C iien Z., N elson D. E., S ingh N. K., Hasegawa P. M., B ressan R. A., Osmotin gen expression is postranscriptiorially regulated. Plant Physiol. 100, L eslie C. A., R omani R. J., Salicylic acid: a new inhibitor of ethylene biosynthesis. Plant Cell Rep. 5, Li N., Pa r s o n s B., Liu D., M attoo A. K., Accumulation of wound-inducible ACC synthase transcript in tomato fruit is inhibited by salicylic acid and polyamines. Plant Molecular Biology 18, Ludew ig M., D örfling K., S eifert H., Abscisic acid and water transport in sunflowers. Planta 175, M e y e r A., M iersch O., B u t t n e r C., D a t h e W., S e m b d n e r G., Occurrence o f plant growth regulator jasmonic acid in plants. J. Plant Growth Regul. 3, 1-8. M e u r s C., B a s r a A. S, K a r s s r n C. M, v a n L o o n L. C., Role of abscisic acid in the induction o f desiccation tolerance in developing seeds o f Arabidopsis thaliana. P la n t Ph ysiol. 98,

15 Hormonalna odpowiedź roślin na stres 637 M urata N., Ishizaki-N ishizawa O., HiGASHi S., HAYASHi H. Tasaka Y., M sh id a I., Genetically engineered alteration in chilling sensitivity o f plants. Nature 356, N o rdin K., H eino P., Palva E. T., Seperate signal pathways regulate the expression o f a low temperature-induced gene in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Plant Mol. Biol. 16, Parry A. D., H organ R., Carotenoids and abscisic acid (ABA) biosynthesis in higher plants. Physiol. Plant. 82, Q uarrie S. A., Genotypic differences in leaf water potential abscisic acid and proline concentrations in spring wheat during drought stress. Ann. Bot. 46, R e inbo the S., R einbo the C., Lehmann J., Parthier B., Differential accumulation o f methyl jasmonate-induced mrnas in response to abscisic acid and desiccation in barley (Hordeum vulgare). Physiol. Plant. 86, Riov J., D agan E., G o ren R., YANg S.F., Characterization o f abscisic acid-induced ethylene production in Citrus leaf and tomato fruit tissues. Plant Physiol. 92, S e m b d n e r G., Parthier B, The biochemistry and the physiological and molecular actions of jasmonates. Annu. Rev.Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 44, S eem ann J. R., S harkey T. D., The effect o f abscisic acid and other inhibitors on photosynthetic capacity and the biochemistry o f CO2 assimilation. Plant Physiol. 84, S m o leńska G., G aw rońska H., Kacperska A., Modifications o f abscisic acid level in winter oilseed rape leaves during acclimation o f plants to freezing temperatures. Plant Growth Regulation 17, T anino K. K., C hen T. H. H., F uchigami L. H., W eiser C., Metabolic alterations associated with abscisic acid-induced frost hardiness in bromegrass suspension culture. Plant Cell Physiol. 31, T arczyński M. C., J e n se n R. G., B o h n ert H. J., Stress protection o f transgenic tobacco by production o f osmolyte mannitol Science 259, T h o m ash o w M. F., Genes induced during cold acclimation in higher plants. [W:] Advances in Low-Temperature Biology. S tepo nkus P. L. (red.). JAI Press Ltd London, England, Greenwich, Connecticut, W asternack C., Atzorn R., Leopold J., F e u s s n e r L, Radem acher W., Parthier B., Synthesis o f jasmonate-induced proteins in barley (Hordeum vulgare) is inhibited by the growth retardant tetcyclasis. Physiol. Plant. 94, W e il e r E. W., A lb r e c h tt., G roth B., X ia Z. -Q., Luxem M., Ä n d e r t L., S pengler P., Evidence fo r the involvement o f jasmonates and their octadecanoid precursors in the tendril coiling response o f Bryonia dioicajacq. Phytochemistry 32, Yang S. F., D ong J. G., Recent progress in research of ethylene biosynthesis. Bot. Bull. SAcad. Sin. 34, Yanc. S. F., H offman N. E., Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants. Annu. Rev. Plant Physiol. 35, Yang S. F., P ratt H. K., The physiology o f ethylene in wounded tissue. [W:] Biochemistry o f Wounded Plant Tissue. Kahl G. (red). degruyter, Berlin, Z immerman D. C., C o udron C. A., Identification o f trawnatin, a wound hormone, a 12-oxo-trans- 10-dodecenoic acid. Plant Physiol. 63,